梁苗

摘 要：玻璃鋼管線因其優(yōu)異的耐腐蝕性被廣泛用于石油開采業(yè)，但使用中常發(fā)生失效現(xiàn)象。首先全面分析了玻璃鋼管線的結(jié)構(gòu)、性能、成型工藝。然后，著重闡釋了玻璃鋼管線失效的主要影響因素、影響方式，據(jù)此繪制了玻璃鋼管線失效的事故樹。最后，根據(jù)所繪事故樹進(jìn)行定性分析求出最小割集、徑集和結(jié)構(gòu)重要度，發(fā)現(xiàn)界面粘結(jié)力和高溫高濕環(huán)境對管線失效的影響最大，然后是耐腐蝕性力學(xué)性能等其他因素影響，從而提出具體改善措施。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼管線;事故樹;風(fēng)險(xiǎn)評價(jià);失效

0 引言

玻璃鋼即玻璃纖維增強(qiáng)塑料（Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP），一般是指用玻璃纖維或其成品作為增強(qiáng)材料來加強(qiáng)合成樹脂基體的復(fù)合材料。玻璃纖維增強(qiáng)塑料的主要成分是玻璃纖維增強(qiáng)材料、樹脂基體和固化劑，樹脂常用的類別有聚酯樹脂、酚酞樹脂及環(huán)氧樹脂等，而玻璃纖維又可以分為無堿、中堿和高堿玻璃纖維等。玻璃鋼的結(jié)構(gòu)單元為纖維、基體、界面三個(gè)部分。玻璃鋼的原材料易得，且能良好地抵抗酸、堿、鹽等各類腐蝕介質(zhì)的腐蝕，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫、性能穩(wěn)定及可設(shè)計(jì)性能好的優(yōu)點(diǎn)。

如今，玻璃鋼已成功發(fā)展出玻璃鋼罐、玻璃鋼管和玻璃鋼塔器等多種產(chǎn)品類型。其中玻璃鋼管（Glass Fiber Reinforced Plastic Pipe，GFRPP），其成型工藝主要有手糊法、離心鑄造法和纖維纏繞法。一般玻璃鋼管的管壁是由功能層（內(nèi)襯層和外保護(hù)層）和結(jié)構(gòu)層（承載層）組成，從里向外的管壁結(jié)構(gòu)依次為內(nèi)襯層、纏繞層、樹脂砂漿層、纏繞層和外防腐層。外防腐層起防外介質(zhì)腐蝕和摩擦碰撞的作用，內(nèi)襯層起防內(nèi)介質(zhì)腐蝕和滲漏的作用，內(nèi)襯層為純樹脂，內(nèi)表面厚度不小于0.5mm，內(nèi)表面和次內(nèi)層厚度不小于1.2mm;樹脂漿砂層兩側(cè)的以纖維纏繞的結(jié)構(gòu)層含有多達(dá)超過70%的玻璃纖維，保障了玻璃鋼管的強(qiáng)度;最中間的樹脂夾砂層是低應(yīng)力區(qū)，此層加入石英砂，可以提高剛度且并降低制造成本 。玻璃鋼管道因它獨(dú)特的優(yōu)異性在石油、供水及化工等各行各業(yè)的發(fā)展十分迅速。特別是在石油方面，國內(nèi)外已進(jìn)入二次和三次采油階段，不得不運(yùn)用高壓注水的方式來補(bǔ)充地層的能量，但注入水含大量H2S、CO2及Cl-會(huì)加劇對鋼管道的腐蝕，造成水質(zhì)二次污染且使鐵離子降解易使管道結(jié)垢，嚴(yán)重影響石油的開采，因此傳統(tǒng)金屬管線的腐蝕結(jié)垢問題日益突出。而玻璃鋼管與常見的碳鋼管、不銹鋼管相比有耐腐蝕強(qiáng)、不發(fā)生電化學(xué)腐蝕、不會(huì)造成二次污染、不結(jié)垢、流體阻力小且使用年限長等優(yōu)點(diǎn)，開始在石油工業(yè)中廣泛應(yīng)用，成為解決國內(nèi)外油田腐蝕的新型產(chǎn)品。玻璃鋼管線雖然較傳統(tǒng)管線相比有良好的耐腐蝕性、水力學(xué)性和化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以有效解決國內(nèi)外油田開發(fā)中的腐蝕性問題，但隨著玻璃鋼管線的大量應(yīng)用和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，玻璃鋼管線也逐漸暴露出一些弊端，出現(xiàn)失效現(xiàn)象，導(dǎo)致重大財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重影響社會(huì)安全穩(wěn)定。

因此，首先，全面分析了玻璃鋼管線的結(jié)構(gòu)、性能、成型工藝。然后，著重闡釋了玻璃鋼管線失效的主要影響因素、影響方式，據(jù)此繪制了玻璃鋼管線失效的事故樹。最后，根據(jù)所繪事故樹進(jìn)行定性分析求出最小割集、徑集和結(jié)構(gòu)重要度，發(fā)現(xiàn)界面粘結(jié)力和高溫高濕環(huán)境對管線失效的影響最大，然后是耐腐蝕性力學(xué)性能等其他因素影響，從而提出改善措施。

1 玻璃鋼管線失效行為研究

根據(jù)GFRP管線失效的相關(guān)資料分析研究發(fā)現(xiàn)，造成其失效的主要影響因素為：管線使用環(huán)境的溫度和濕度、運(yùn)行壓力、土壤腐蝕、輸送介質(zhì)腐蝕、玻璃鋼的界面粘結(jié)力、原材料選擇、管線的成型工藝、接頭連接方式、第三方破壞和誤操作等。

1.1 環(huán)境溫度和濕度的影響

高溫和高濕的給合會(huì)對降低玻璃鋼的性能。在高溫高濕環(huán)境下，樹脂基體比玻璃纖維受到影響更大，高溫高濕會(huì)導(dǎo)致樹脂聚合物基體內(nèi)存留水分，不僅使其重量增加，而且使聚合物體基材料膨脹，產(chǎn)生濕熱應(yīng)變，即濕熱效應(yīng)。分析發(fā)現(xiàn)同一種樹脂基體在溫度一定時(shí)，含水量高的樹脂基體強(qiáng)度剛度都會(huì)下降，而且使轉(zhuǎn)化溫度也明顯減低。如圖1樹脂基體的強(qiáng)度、剛度隨溫度和濕度變化曲線所示。

1.2 運(yùn)行壓力和管道連接方式的影響

玻璃鋼管線所受的壓力超過其自身的服役條件時(shí)，就會(huì)發(fā)生失效問題。油管經(jīng)常會(huì)受交變壓力的的作用，外壓、內(nèi)壓分別和軸拉、軸壓復(fù)合載荷聯(lián)合過大是造成井下管失效的主要因素，對于玻璃鋼管線的內(nèi)壓和軸載的影響，英國曼徹斯特大學(xué)進(jìn)行了相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壓和軸載作用下玻璃鋼管的失效表現(xiàn)為滲透的初次失效和斷裂的最終失效且滲透應(yīng)力比斷裂極限應(yīng)力低，此外不同原材料的選用對內(nèi)壓引起滲透和斷裂失效的影響也不同。

管道系統(tǒng)中往往是接頭處最易發(fā)生失效，玻璃鋼管線也不例外。管道的使用溫度、載荷、輸送介質(zhì)等因素的特性將決定管道的連接方式。接頭方式有無約束接頭、有約束接頭和螺紋接頭三種，其中前兩中接頭方式適用于玻璃鋼管道的自流管和壓力管線，而螺紋接頭適用于玻璃鋼油管、套管和高壓管線管連接。我國油田的平均井深達(dá)2000m，可使用玻璃鋼螺紋直接連接，但超過這個(gè)范圍應(yīng)考慮其他連接方式。

1.3 輸送介質(zhì)和土壤的影響

近幾年玻璃鋼管線也出現(xiàn)了腐蝕問題，分為內(nèi)腐蝕和外腐蝕。內(nèi)腐蝕介質(zhì)主要為玻璃鋼管線輸送的原油，我國油氣田輸送的介質(zhì)絕大多數(shù)為酸性，主要是CO2、H2S、Cl-等且不同油田的主要腐蝕介質(zhì)也不同，腐蝕過程首先是輸送介質(zhì)滲透擴(kuò)散到玻璃鋼復(fù)合材料的內(nèi)部，然后引起樹脂基體的溶脹，產(chǎn)生界面應(yīng)力，并溶解掉部分的小分子，同時(shí)與玻璃鋼材料中的部分分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞玻璃鋼復(fù)合材料的整體結(jié)構(gòu)，引起玻璃鋼管線的外觀、物理性能和機(jī)械性能的變化最終導(dǎo)致玻璃鋼的失效。

土壤腐蝕主要是指土壤中水分、含鹽量、總酸度及微生物等單獨(dú)起作用或幾種結(jié)合共同侵蝕管線導(dǎo)致腐蝕破壞。油管的沿線大部分地段地面和地下土壤為弱酸性，部分有水河谷邊的土壤如沼澤土為中等酸腐蝕性，管線穿越河流地段的土壤為強(qiáng)酸腐蝕性，也有少數(shù)的堿性土壤如鹽堿土。土壤中的酸性鹽離子主要為HCO3-、Cl-、SO2-3等。一般來說土壤的酸性蝕性越強(qiáng)腐越強(qiáng)。

1.4 玻璃鋼管線的成型工藝和界面粘結(jié)力的影響

玻璃鋼管線的成型工藝的三種成型法中手糊成型法的生產(chǎn)周期長、機(jī)械化程度低、制得的管線質(zhì)量不穩(wěn)定，易發(fā)生失效，適用于要求較低的工程但其需要的設(shè)備簡易，投資少，因此仍在玻璃鋼管線的成型工藝中占一定的比例。我國油田用玻璃鋼管線的成型方法主要是纖維纏繞法和離心鑄造法。纖維纏繞成型法能夠很好的發(fā)揮玻璃纖維的強(qiáng)度，制得的管質(zhì)量穩(wěn)定且生產(chǎn)的效率高，但是生產(chǎn)成本高，機(jī)械化程度高，需要高技術(shù)水平。離心鑄造法原材料耗損小，綜合造價(jià)低，特別適用于需要承受較大外壓的大口徑排污管。

界面作為玻璃纖維增強(qiáng)材料和樹脂基體的連接橋梁，需要具備較好的粘結(jié)力，界面破壞是玻璃鋼失效的引發(fā)點(diǎn)，因?yàn)闃渲牧喜⒉缓谢钚怨倌軋F(tuán)，使界面粘結(jié)力較弱，同時(shí)，由于增強(qiáng)纖維和基體的熱膨脹系數(shù)及彈性模量不同，復(fù)合過程中會(huì)出現(xiàn)界面熱應(yīng)力和界面應(yīng)力效應(yīng)等界面特征導(dǎo)致界面粘結(jié)力減弱，使界面成為玻璃鋼復(fù)合材料的最易破壞部位。若界面結(jié)構(gòu)本身帶有如雜質(zhì)、細(xì)微裂紋、空洞等缺陷將嚴(yán)重影響界面的粘結(jié)力，使玻璃鋼的力學(xué)性能下降，容易發(fā)生剪切破壞。

1.5 玻璃鋼管線原材料的選擇和其他因素的影響

材料不適宜也會(huì)嚴(yán)重影響玻璃鋼在實(shí)際使用中的性能。玻璃鋼管線的耐腐蝕性、耐溫性主要為樹脂提供，環(huán)氧樹脂較聚酯樹脂和酚酞聚酯耐溫性、耐候性、耐化學(xué)性更好，需耐高溫時(shí)推薦采用環(huán)氧樹脂，而考慮經(jīng)濟(jì)性推薦使用聚酯樹脂。玻璃纖維的含量、直徑粗細(xì)、種類選擇也影響著玻璃鋼的性能。一般來說，無堿纖維的化學(xué)穩(wěn)定性、耐濕性較有堿纖維好。

除上述因素外，還有第三方破壞和人為誤操作等因素影響玻璃鋼管線失效。第三方破壞除自然災(zāi)害和土層運(yùn)動(dòng)外，在我國，在輸油輸氣管線上打孔偷油偷氣的情況經(jīng)常發(fā)生，造成管線的失效，且造成重大損傷事故，如在2007年，中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司在臨邑濟(jì)南的輸油管線被周圍的多名農(nóng)民屢次打孔偷油。

2 事故樹法評價(jià)玻璃鋼管線失效

2.1 繪制事故樹

首先選擇“玻璃鋼管線失效”作為頂事件，開始逐層向下分析原因事件，引起原因則主要是環(huán)境破壞、材料自身缺陷、第三方破壞、人的誤操作等。再逐層向下分析直至最基本原因事件，最后分析出43個(gè)基本原因事件，如表1所示。最終得到的玻璃鋼管線失效的事故樹圖如圖2所示。

2.2 定性分析

根據(jù)圖2，玻璃鋼管線失效事故樹的布爾表達(dá)式為：

若不考慮各基本事件發(fā)生的難易程度且假設(shè)各基本事件發(fā)生的概率相等，可得各基本事件結(jié)構(gòu)重要系數(shù)如表3所示。

根據(jù)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度可知在本文所建立的玻璃鋼管線失效的事故樹中：材料自身缺陷中界面粘結(jié)力對玻璃鋼管線失效的影響最大;其次是高溫高濕環(huán)境的影響，高溫高濕環(huán)境導(dǎo)致玻璃鋼管線的性能下降不僅可以直接使管線失效還會(huì)加劇其他形式失效，然后是材料自身缺陷中其他因素的影響;最后為環(huán)境中腐蝕和運(yùn)行壓力破壞、第三方破壞以及人的誤操作的影響。

3 對策與建議

根據(jù)對玻璃鋼管線失效事故樹的最小割集和結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行分析，可以明確引起玻璃鋼管線失效的主要因素和提出科學(xué)的改進(jìn)措施：（1）需要提高界面粘結(jié)力，可以在玻璃鋼復(fù)合材料中添加改良的玻璃纖維浸潤劑更好地保護(hù)界面強(qiáng)度，建議根據(jù)實(shí)際使用情況選擇所需的玻璃鋼管線類型。此外，加強(qiáng)管材制造監(jiān)督和健全管線制造標(biāo)準(zhǔn)。（2）在需要高溫高濕工作的環(huán)境中采用耐濕耐高溫的玻璃鋼材料和界面粘結(jié)力良好的玻璃鋼，同時(shí)建立溫度濕度報(bào)警裝置，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度濕度變化（3）玻璃鋼管線盡量不要使用無內(nèi)襯層的管線，若輸送原油腐蝕性強(qiáng)可以考慮采用三層內(nèi)襯層的玻璃鋼管線，樹脂基體和玻璃纖維采用更耐腐蝕的環(huán)氧樹脂和無堿纖維，提高玻璃鋼管線的外防護(hù)層的厚度（4）在長期較大的交變壓力作用下，選用更穩(wěn)定的玻璃鋼管線的成型工藝，手糊成型法產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，盡量不要使用在高承壓管線段，管線的壁厚、直徑等尺寸的設(shè)計(jì)應(yīng)與其承壓能力相匹配，選用力學(xué)性能更好的樹脂基體和玻璃纖維。此外，設(shè)置壓力報(bào)警裝置，當(dāng)壓力超過允許條件時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)采取措施控制。（5）除自然災(zāi)害外，管線附近居民對相關(guān)法律法規(guī)、安全性的了解和政府的干預(yù)等都會(huì)對管線造成影響，因此應(yīng)加強(qiáng)人民的法律和保護(hù)公共財(cái)產(chǎn)意識(shí)，建立完善的報(bào)警系統(tǒng)，健全法制并保障法律法規(guī)的落實(shí)。同時(shí)，也要做好對自然災(zāi)害的預(yù)測，加強(qiáng)減災(zāi)措施。（6）應(yīng)建立嚴(yán)格的施工質(zhì)量檢測制度，加強(qiáng)人員的安全和專業(yè)培訓(xùn)，完善管理制度。

4 結(jié)論

本文深入研究分析了玻璃鋼管線的結(jié)構(gòu)、性能、使用條件和失效的影響因素，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用事故樹法對玻璃鋼管線進(jìn)行了安全評價(jià)，繪制出玻璃鋼管線的失效的事故樹，進(jìn)行定性分析并提出相應(yīng)的改善措施。此外，由于缺少完善的數(shù)據(jù)信息和詳盡的資料，無法對玻璃鋼管線失效進(jìn)行定量分析，這是本文的最大不足之處，還需繼續(xù)深入研究。

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